0 前言

       缺氧缺血性脑病（hypoxic ischemic encephalopathy, HIE）是由新生儿围产期窒息导致的缺氧、脑血流量减少引起的脑损伤。其发病率约为足月婴儿的千分之一至千分之三，如果不及时治疗可引起认知、运动和功能障碍，严重者可发展为脑瘫^[1]。因此，HIE的早期诊断、早期治疗、早期康复尤为重要。

       目前，MRI是HIE诊断的主要成像方式，但常规MRI序列不能观察到新生儿的脑血流变化，脑血流量（cerebral blood flow, CBF）的变化在脑损伤的发展过程中起着举足轻重的作用。尽管一些学者^{[2, 3, 4]}已经使用MR功能成像对HIE进行研究，但大多数研究都是基于脑细胞坏死程度及其代谢产物反应脑损伤程度，而非致病的机理。本研究基于三维动脉自旋标记（three-dimensional arterial spin label, 3D ASL）灌注成像技术，使用磁标记的自身动脉所含水分子，无需注射对比剂，获得测量区域脑CBF，旨在对HIE患儿做出早期诊断并预测患儿短期预后，进一步评估丘脑CBF值与新生儿行为神经学评估（Neonatal Behavioral Neurological Assessment, NBNA）评分的相关性，以改善HIE患儿的整体预后。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       回顾性分析2017年12月至2022年5月在中国科学技术大学附属第一医院收治的HIE患儿病例40例，男22例，女18例，日龄在3 d以内。HIE患儿纳入标准参考中华医学会儿科学分会新生儿学组制订的HIE诊断标准^[5]，选取有临床病因的，包括羊水吸入、滞产、产钳、吸引器助产，出生时窒息史，脐带绕颈，出生后青紫、抽搐，母亲孕期妊高症。所有患者均未进行低温治疗。治疗后1个月复诊，由新生儿科副主任医师进行预后评估，患儿在复诊时成功进行了NBNA评分，根据评分将患儿分为预后良好组和预后不良组，35分以上为预后良好组，35分以下为预后不良组。

       对照组包括40例足月正常新生儿，男24例，女16例，日龄在3 d以内，没有HIE、窒息、癫痫、先天性心脏病或其他可能影响脑血流的疾病，接受了相同的MRI检查。本研究设计遵守《赫尔辛基宣言》，并经中国科学技术大学附属第一医院伦理委员会批准，批准文号：2021-RE-118，受试者家属均签署了知情同意书。

1.2 影像学检查

       患儿出生3 d内行磁共振检查，包含MRI常规平扫、DWI、3D ASL。使用3.0 T磁共振扫描仪（GE Discovery 750）、AW 4.7工作站、16通道头部线圈，扫描序列包括横断位的T1WI、T2WI、DWI、3D ASL以及矢状位的T1WI。DWI扫描参数：TR 3900 ms，TE 50 ms，层厚4 mm，FOV 160 mm×160 mm，矩阵128×128，b值为0、1000 s/mm²，激励次数2次。3D ASL扫描参数：TR 4376 ms，TE 11 ms，层厚4.0 mm，翻转角111°，FOV 160 mm×160 mm，矩阵416×224，标记后延迟时间1025 ms^[6]，激励次数3次。

       检查前30 min用5%水合氯醛（0.5 mL/kg）对新生儿进行镇静，以确保受试者在静止状态下完成检查，将静音塞置入新生儿的耳朵以保护听力。为了减少将新生儿从病房运送到磁共振检查室的风险，并实时监测新生儿的状况，一名新生儿科医生陪同新生儿检查。

1.3 图像处理

       所有数据都上传到GE AW 4.7工作站。对原始DWI图像后处理得到表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）图像；用Functool软件对原始ASL图像处理后得到的CBF图。所有的数据测量由两名副高（五年以上）职称的影像医师完成。分别选取感兴趣区（region of interest, ROI）测量3次，取平均值。最终结果取2名副主任医师测得结果的平均值。

       测量ROI大小为（10±2）mm²，ROI的选择应避开血管、脑沟等位置，ROI的选择是根据解剖学标志物确定的。确保所有新生儿的ROI面积和位置基本相同。采用镜像画法，对侧ROI处于对称位置。ROI包括双侧基底节区、丘脑和额叶深部白质。在ADC图上的相应部位勾画出ROI，测量ADC值，并将3D ASL图像的ROI范围与ADC图共同对齐，ROI尽可能与ADC图一致。

1.4 统计学分析

       采用SPSS 20.0软件（IBM SPSS Statistics 20，Chicago，IL，USA）进行统计分析。计量资料若符合正态分布以均数±标准差表示，采用方差分析，不符合正态分布的采用秩和检验；单因素方差分析用于观察预后不良组、预后良好组、对照组在同一ROI的CBF平均值之间是否存在差异。根据方差齐性检验结果，使用最小显著差异法（least significance difference, LSD）（方差齐性）和Tamhane法（方差不齐）进行多重比较。用Spearman相关性分析法对不同预后组ROI的CBF值与NBNA评分进行相关性分析，P＜0.05表示差异具有统计学意义。采用受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲线下面积来分析不同扫描序列的敏感性和特异性以及ROC曲线的最佳截止值。

2 结果

2.1 一般临床特征比较

       足月新生儿的胎龄在脑部成熟度方面不同，有必要分析三组之间临床特征是否存在差异。结果显示，三组新生儿在胎龄、出生体质量和产妇年龄方面差异无统计学意义（P＞0.05），三组新生儿在1 min Apgar评分上存在差异（P＜0.05），见表1。

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表1  三组之间的临床特征比较
Tab. 1  Comparison of clinical data among the three groups

2.2 不同脑区的CBF和ADC值统计分析结果

       三组受试者的额叶深部白质、基底节区和丘脑CBF和ADC值两两比较，差异具有统计学意义（图1、表2），典型病例图片见图2～4。

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图1  三组之间不同脑区的CBF和ADC值统计分析结果。40例新生儿在出生后3 d内接受了头颅MRI检查，测量感兴趣区域的CBF和ADC值，分别测量同一部位3次，并以平均值作为最终结果。对照组、预后良好组和预后不良组的额叶深部白质、基底节、丘脑CBF和ADC值均有显著差异。*：P＜0.05，****：P＜0.001；ADC：表观扩散系数；CBF：脑血流量。
Fig. 1  The results of statistical analysis among the three groups of CBF and ADC. 40 neonates underwent cranial MRI examination within 3 days after birth. The CBF and ADC values of the areas of interest were measured, and the same site was measured three times each, and the average value was taken as the final result. There were significant differences in frontal lobe, basal ganglia, and thalamus CBF and ADC values in the control, favourable, and adverse groups. *: P＜0.05; ****: P＜0.001; ADC: apparent diffusion coefficient; CBF: cerebral blood flow.

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图2  对照组新生儿的MR图像。2A：T2WI；2B：ADC；2C：DWI；2D：3D ASL，无高灌注的表现。
图3  HIE预后不良组新生儿的MR图像。3A：T2WI；3B：ADC，左侧脑室旁低信号；3C：DWI，左侧脑室旁高信号；3D：3D ASL，全脑明显高灌注。
图4  HIE预后良好组的MR图像。4A：T2WI；4B：ADC；4C：DWI，脑部结构图像未见明显异常；4D：3D ASL，核心灰质和额叶深部白质未见明显高灌注，额颞叶皮层高灌注改变。ADC：表观扩散系数；DWI：扩散加权成像；3D ASL：三维动脉自旋标记灌注成像；HIE：缺氧缺血性脑病。
Fig. 2  MR images of neonates in the control group. 2A: T2WI; 2B: ADC; 2C: DWI; 2D: 3D ASL, no sign of hyperperfusion.
Fig. 3  MR images of neonates in the poor prognosis group of HIE. 3A: T2WI; 3B: ADC, left paraventricular hyposignal; 3C: DWI, left paraventricular hyposignal; 3D: 3D ASL, significant perfusion of the whole brain.
Fig. 4  MR images of the HIE prognosis good group. 4A: T2WI; 4B: ADC; 4C: DWI, no brain structural images shows significantly abnormal; 4D: ASL, no significant hyperperfusion in the core gray matter and deep frontal white matter, but hyperperfusion changes in the frontal-temporal cortex. ADC: apparent diffusion coefficient; DWI: diffusion-weighted imaging; 3D ASL: 3D arterial spin labeling; HIE: hypoxic ischemic encephalopathy.

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表2  三组之间不同脑区的CBF和ADC值比较
Tab. 2  Results of cerebral blood flow and ADC values in different brain regions of three groups

2.3 HIE患儿各脑区相应CBF与NBNA评估的相关性

       基底节的CBF值与NBNA评分高度负相关（r=-0.8196，P＜0.001）；丘脑的CBF值与NBNA评分高度负相关（r=-0.8504，P＜0.001）。额叶深部白质CBF值与NBNA评分不相关（r=-0.0802，P=0.6229），见图5所示。

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图5  额叶深部白质（5A）、基底节区（5B）、丘脑（5C）CBF值与NBNA评分的散点图。研究中发现的阈值显示为虚线。预后良好的新生儿显示为蓝色，预后不良的新生儿显示为橙色。额叶CBF值与NBNA评分不相关（r=-0.0802，P=0.6229）；基底节的CBF值与NBNA评分高度负相关（r=-0.8196，P＜0.001）；丘脑的CBF值与NBNA评分高度负相关（r=-0.8504，P＜0.001）。NBNA：新生儿行为神经学评估；CBF：脑血流量。
图6  丘脑CBF值的AUC为0.973，敏感度和特异度分别为97.5%、90.2%；ADC值的AUC为0.881，敏感度和特异度分别分别为82.5%、92.7%。CBF：脑血流量；AUC：曲线下面积；ADC：表观扩散系数。
Fig. 5  Scatterplots of the frontal lobe (5A), basal ganglia (5B), and thalamic (5C) CBF values and the NBNA scores. The thresholds found in this study are shown as dashed lines. Neonates with good prognosis are shown in blue and neonates with poor prognosis in orange. The frontal CBF values are not correlated with NBNA scores (r=-0.0802, P=0.6229); the CBF values are highly negatively correlated with NBNA scores (r=-0.8196, P＜0.001), and CBF values in the thalamus are highly negatively correlated with NBNA scores (r=-0.8504, P＜0.001). NBNA: neonatal behavioral neurological assessment; CBF: cerebral blood flow.
Fig. 6  AUC of CBF values is 0.973, and sensitivity and specificity are 97.5% and 90.2%, respectively; AUC of ADC values is 0.881, and sensitivity and specificity are 82.5% and 92.7%, respectively. AUC: area under the curve; CBF: cerebral blood flow; ADC: apparent diffusion coefficient.

2.4 丘脑的CBF及ADC值诊断HIE的ROC曲线

       丘脑CBF、ADC值诊断HIE，丘脑CBF的ROC曲线下面积最大，为0.973，见图6、表3。

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表3  CBF及ADC值对HIE诊断的ROC曲线分析结果
Tab. 3  ROC curve analysis results of cerebral blood flow and ADC values for the diagnosis of hypoxic-ischemic encephalopathy

3 讨论

       本研究使用3D ASL灌注成像与DWI序列测量HIE组及对照组新生儿不同脑区的CBF值，探讨3D ASL与DWI对于新生儿HIE的诊断效能以及HIE患儿不同脑区的CBF值与NBNA的相关性。国内外文献鲜有报道应用这些方法对HIE患儿进行早期诊断及预后评估的研究。本研究结果表明，丘脑CBF值的ROC曲线下面积为0.973，3D ASL技术对于新生儿HIE的诊断效能更高；丘脑的CBF值与NBNA评分高度相关（r=-0.8504，P＜0.001），明确了3D ASL技术能够早期诊断HIE和预后分组的价值，以改善HIE患儿的整体预后。

3.1 3D ASL显示HIE的特征情况

       脑组织生化代谢的改变导致HIE发生的机制已经明确，但是对于HIE发生时脑血流的变化规律仍然没有统一的认识。有的学者^[7]认为，围产期窒息导致新生儿脑组织经历一系列缺氧、缺血改变，一定程度上出现再灌注损伤。但是，再灌注损伤具体发生在什么时候，什么条件下会发生，窒息后是以高灌注变化为主，还是以缺血为主，再灌注或缺血持续时间都还不明确。

       CBF的变化在HIE中发挥着举足轻重的作用。各种原因导致的新生儿缺氧引起脑血流自身调节功能下降，不能通过舒张血管来增加脑灌注量，导致CBF急剧减少^[8]。为了保证大脑和其他重要器官的血液供应，新生儿缺氧后身体会重新分配血流，导致大脑CBF值明显增加。基底节区、丘脑等部位髓鞘活跃，能量代谢需求高，是新生儿大脑中对缺氧极为敏感的区域^{[9, 10]}。有的学者^[11]认为脑部低灌注的持续时间并不长而且持续时间不一致，而这现象对于HIE预后的影响还有待进一步的研究，有的学者^[12]认为缺血后再灌注比单纯缺血更为严重。

       研究表明，新生儿HIE脑损伤区域总是存在早期（2～4 d）高灌注^{[13, 14]}，因此本研究受试者选择出生3 d内的新生儿，避免因日龄差异而影响统计结果。基底节-丘脑模式（basal ganglia-thalamic pattern, BGT）是HIE中常见的一种脑损伤模式，双侧中央灰质核团及周围皮层受到影响，BGT损伤的患儿常引起运动障碍性脑瘫，从而导致残疾^[15]。因此，我们的研究使用3D ASL技术，并将CBF值的关注区域放在这些位置，另外还选择了额叶深部白质区域作为对比，因为HIE脑损伤随着缺氧时间的延长，代偿机制逐渐丧失，脑血流锐减。为了保证代谢最旺盛部位，如基底节区、丘脑、脑干及小脑的血液供应，而额、顶部白质最易受损，所以同时研究额叶深部白质的CBF值与NBNA的相关性作为对比性研究。

       更重要的是，相对于成人，新生儿的血流速度快的生理特点为解决ASL的局限性（低信噪比）提供了条件：生理条件下的高血流量使ASL的信噪比升高，快速流动的标记血液从标记区流向脑内小动脉，产生理想的运输和标记效应^[16]。由于以上生理特点，相比成年人ASL灌注图像，新生儿脑组织ASL灌注能够获得更强的灌注信号，可为疾病诊断提供新的途径^[17]。新生儿HIE是一种异质性疾病，短期内预测神经发育的长期改变难以实现。但是，对新生儿神经发育的早期预测是可能的，用以制订治疗干预措施，并根据神经发育预后准确指导患儿日常康复训练。

       本研究结果显示，HIE患儿在出生后72 h内基底节区、丘脑存在高灌注改变，这与其他研究结果一致^{[18, 19, 20]}。与DE VIS等^[21]在ASL预测HIE预后方面研究结果一致，ASL灌注阴性预测值为96%，阳性预测值为100%，预后不良组的基底节和丘脑ASL灌注值高于预后良好组。

3.2 DWI显示HIE的特征情况

       DWI是一种非侵入性的功能成像技术，用于研究水分子的微观运动。在HIE早期，新生儿神经元和纤维束细胞膜组织钠泵和钾泵功能失调，导致水分子的扩展方向和扩散速度发生变化，引起细胞毒性水肿的发生，伴随着细胞外自由水的减少，ADC值下降，DWI显示高信号^[22]。随着新生儿日龄的增长，大脑的含水量减少，髓鞘增生，神经元和胶质细胞不断生长，细胞外空间缩小，最终使大脑所有部位的ADC值下降^[23]。DWI最早可在24～72 h内发现病变，并在2～5 d时间窗内提供脑损伤的时间指示^[24]。然而，DWI会出现损伤的低估、假阴性和假正常化^[25]。这是因为随着疾病的发展，在大约1周内，细胞毒性水肿转化为血管性水肿，水分子扩散受限较少，DWI常出现假阴性。因此，怀疑HIE的新生儿应在出生后3 d内进行DWI检查。BEVERS等^[26]通过比较HIE患儿的DWI发现，发病72 h内MRI常规序列为阴性，而DWI可见异常高信号；本组40例HIE新生儿中，DWI阳性35例，与该报道基本一致。

       HIE发展过程中，出生后24 h内DWI表现可以正常，随着病程的发展，ADC开始减低^[27]，ADC减低的区域与CBF升高的区域在HIE早期常同时出现，因为脑组织缺血坏死发生的一个重要事件是早期再灌注。高CBF和低ADC之间的相关性表明，在新生儿再灌注综合征中，这种再灌注也可能是一种持续过程的标志，通过再灌注对大脑造成更大的损害^[28]。3D ASL能够早期反映HIE患儿缺血脑组织的再灌注水平，因此，3D ASL对评估HIE的预后非常重要^[29]。

3.3 不同脑区CBF预测患儿短期预后的价值

       本研究选取了丘脑、基底节区和额叶深部白质作为ROI，获得ROI的CBF值与患儿NBNA评分的相关性。结果显示，在这组HIE新生儿中，NBNA评分与基底节区及丘脑的CBF值在HIE患儿两组之间有差异有统计学意义（P＜0.001）。这就得出结论，基底节和丘脑的灌注越高，NBNA评分越低，预后越差。3D ASL对于新生儿再灌注可以量化评估，对于受损脑细胞的恢复可以做出短期预测，临床以此评估神经保护性治疗的效果。新生儿妊娠时间决定了脑灌注情况^[30]，本研究对象选取的是足月新生儿，三组临床数据差异无统计学意义；此外，所有MRI检查都在出生后3 d内进行，避免了不同检查时间造成的灌注差异，有效避免了偏差。

3.4 本研究的局限性

       第一，本研究采用3D ASL技术测量脑组织感兴趣区CBF值，脑脊液的部分容积效应会对CBF测量产生影响^[31]；内囊的白质纤维束在CBF测量时，具有干扰作用^[32]。第二，本研究中收集40例HIE患儿进行研究，样本量较小，后续研究需要继续扩大样本量。第三，磁共振检查时间点为出生后3 d内，应该选择更多的时间点进行测量，更精确地观察CBF的变化。

4 结论

       3D ASL具有无辐射、准确、无创地测量新生儿脑组织CBF的优势，对于HIE的早期诊断、短期预后评估都具有准确的参考依据，比目前常规的DWI序列更有价值，为临床治疗方案的选择提供参考依据。